Учебное пособие 1202

2.Рабочее напряжение Up – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме

(Up=10…30 В).

3.Интегральная чувствительность Sинт показывает,

как изменяется фототок при единичном изменении светового потока:

4.Граничная частота fгр – частота, на которой инте-

гральная чувствительность уменьшается в раз (107…1012 Гц).

4.Виды фотодиодов

PIN-диод — разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный) полупроводник (i- область). Он легируется в такой степени, чтобы не относился ни к проводникам n-типа, ни р-типа. Обедненная зона имеет толщину десятки мкм. Наличие i-слоя приводит к большей эффективности поглощения фотонов в обедненной зоне.

Рис. 7. Структура p-i-n фотодиода

9

Лавинные фотодиоды — высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения.

Принцип действия многих лавинных фотодиодов следующий. ЛФД имеет структуру схожую с p-i-n- ФД. Отличается тем, что в некоторой части i-зоны создается сильное электрическое поле. Первоначальные фотоносители, появляющиеся после поглощения света, под действием электрического поля ускоряются. При их столкновении с нейтральными атомами происходит передача части энергии электронам валентной зоны и перемещение их в зону проводимости, следовательно, появляются дополнительные свободные фотоносители – вторичные. Данный процесс называется ударной ионизацией.

Рис. 8. Структура лавинного фотодиода

Особенностью ЛФД является наличие защитного кольца в виде глубоко диффундированной n-области на краю n+-p- перехода. Защитное кольцо уменьшает ток утечки вблизи краёв перехода и предотвращает низковольтный пробой.

Фотодиоды Шоттки

Упрощенная структура фотодиода с барьером Шоттки показана на рис. 9.

10

На подложке сильно легированного кремния выращивается тонкая эпитаксиальная пленка высокоомного полупроводника. Затем на тщательно очищенную поверхность материала полупроводника напыляют тонкую (0,1 мкм) полупрозрачную пленку, а поверх нее — антиотражающее покрытие.

Рис. 9. Фотодиод с барьером Шоттки: а — структура;

б— распределение поля в структуре

Вфотодиодах с барьером Шотгки имеется возможность поглощения квантов излучения в металле контакта (если энергия квантов излучения меньше ширины запрещенной зоны). Если энергия кванта излучения больше высоты потенциального барьера, то возбужденные электроны из металла могут перейти в полупроводник через потенциальный барьер.

Врезультате длинноволновая граница спектральной характеристики фотодиода сдвигается в сторону более длинных волн.

Вфотодиоде Шоттки с ростом энергии квантов область поглощения излучения сдвигается в слой объемного заряда, где существует поле, разделяющее фотоносители.

У фотодиодов с барьером Шотки за счет минимального сопротивления базы и отсутствия процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов достигается высокое быст-

11

родействие. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n переходе, и за счет этого резко возрастает чувствительность, их быстродействие составляет fгр = 1011…1012 Гц. Эти диоды считаются одними из перспективных элементов оптоэлектроники.

Фотодиоды с гетероструктурой

Гетерофотодиодом называют прибор, имеющий переходной слой, образованный полупроводниковыми материалами с разной шириной запрещенной зоны.

Толщина средней области выбирается так, чтобы обеспечить поглощение всей падающей мощности. Высокая степень чистоты этой области обеспечивает малые рекомбинационные потери генерирумых светом носителей. Фоточувствительность гетерофотодиодов определяется эффективным временем жизни носителей в среднем слое, а время переключения — толщиной этого слоя и напряженностью электрического поля. Применение совершенных гетероструктур (с низкой плотностью поверхностных состояний) открывает возможности создания фотодиодов с кпд, близким к 100%. Сочетание малого времени рассасывания неравновесных носителей заряда и малого значения барьерной емкости обеспечивает высокое быстродействие гетерофотодиодов. Такие приборы могут эффективно работать при малых обратных напряжениях. Подбирая пары полупроводниковых материалов можно получать фотодиоды, работающие в любой части оптического диапазона длин волн. Это преимущество обусловлено тем, что в гетерофотодиоде рабочая длина волны определяется разницей ширин запрещенных зон и не связана со спектральной характеристикой глубины поглощения. Вследствие хороших возможностей выбора материала базы достигаемое значение фотоЭДС у гетерофотодиодов составляет (0,8... 1,1) В, что в два-три раза выше, чем у кремниевых фотодиодов. Основной недостаток гетерофотодиодов присущая гетероструктурам — сложность изготовления.

12

Рис. 10. Фотодиод с гетероструктурой:

а— структура; б — энергетическая диаграмма

5.Солнечная батарея

Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Рис. 11. Строение кремниевой солнечной батареи

13

Солнечная батарея служит для прямого преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию. В настоящее время для производства батарей используют в основном кремний — наиболее распространенный в земной коре химический элемент. Исходным сырьем для изготовления кремния может служить, например, кварцевый песок. Необходимый для солнечных батарей кремний высокой чистоты получают путем применения многоступенчатых процессов обработки.

Наиболее широко применяемые солнечные батареи состоят из кремниевых шайб толщиной 0,3 – 0,4 мм. В каждую из таких шайб (кристалл) целенаправленно внесены примеси, например, бора и фосфора, в результате чего образуются два граничащих между собой слоя с разными электрическими характеристиками (рисунок 8. 2). В результате воздействия на кристалл солнечного света на переходе между слоями образуется электрическое поле. Верхняя и нижняя стороны кристалла снабжены металлическими выводами, с которых снимается электрический ток. Для того чтобы на поверхность кристалла попадало как можно больше света, металлические контакты выполнены в виде гребенки, а сама поверхность снабжена слоем, уменьшающим отражение.

При освещении поверхности ячейки под действием света образуются свободные электрические заряды в виде электронов и дырок, которые разделяются электрическим полем. В результате этого между металлическими контактами возникает разность потенциалов или напряжение. Если к контактам подключить нагрузку, через нее потечет постоянный электрический ток. В используемых солнечных батареях рассмотренная ячейка обеспечивает напряжение 0,4 – 0,5 В, а величина тока почти пропорциональна световому потоку. Важным параметром солнечной ячейки является ее КПД, который представляет собой отношение снимаемой электрической мощности к световой, попадающей на поверхность кристалла.

Солнечные батареи по своему составу бывают кремниевые (коэффициент фотоэлектрического преобразования

14

10-20%), из арсенида галлия (GaAs) (20-25%), многослойные, например, из фосфида галия-индия (GaInP) (до 30%) и другие.

6.Выполнение работы

6.1.Последовательное и параллельное соединение солнечных батарей

Потребуется: 3 маленьких солнечных батареи, вольтметр, амперметр.

Поочередно измерьте ток и напряжение для:

Одной, двух и трех последовательно соединенных солнечных батарей Одной, двух и трех параллельно соединенных солнечных батарей

Рис. 12. Последовательное соединение батарей

15

Рис. 13. Параллельное соединение батарей Результаты представьте в табл. 1, сделайте выводы.

Таблица 1

Зависимость U и I от типа соединения

6.2. Зависимость мощности солнечной батареи от площади ее поверхности

Потребуется: солнечная батарея, вольтметр, амперметр, 4 синие пластиковые пластинки для затемнения.

Поочередно измеряйте ток и напряжение солнечной батареи при условии:

полностью освещенной фоточувствительной поверхности;

при затемнении ¼ ее части; при затемнении ½ ее части; при затемнении ¾ частей;

при затемнении всей фоточувствительной по-

верхности.

16

Рис. 14. Затемнение батареи

Запишите полученные данные в табл. 2, вычислите соответствующую мощность ().

Таблица 2 Зависимость мощности солнечной батареи от площади

освещения её поверхности

Степень освещенности I, мА U, В P, мкВт

Темновой ток

¼

½

¾

Полностью открыта

Постройте график зависимости мощности от площади активной фоточувствительной поверхности.

Рис. 15. Зависимость мощности солнечной батареи от площади её поверхности

17

6.3. Зависимость мощности солнечной батареи от интенсивности светового излучения

Потребуется: солнечная батарея, вольтметр, амперметр, источник питания (9В), осветительный модуль.

Подключите осветительный модуль с одной

. Вычислите мощность.

Повторите опыт для двух, трех и четырех лампочек.

Рисунок 16 – Изменение интенсивности излучения

Результат запишите в табл. 3 и постройте график зависимости мощности солнечной батареи и интенсивности светового излучения.

Таблица 3 Зависимость мощности батареи от интенсивности освещения